2.5. Mikrocontroller-Komponenten

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1 2.5.3 Zeitgeberbasierte Einheiten Wichtig für Echtzeitanwendungen Basis für viele Mikrocontroller-Komponenten Zähler und Zeitgeber (Counter and Timer) Grundaufgaben: Zählen von Ereignissen Messen von Zeiten Wecken Erzeugung von Impulsfolgen 1

2 Prinzipieller Aufbau: Datenbus 2.5. Mikrocontroller-Komponenten Startwertregister interner Takt Unterbrechung Zähler (+/-) Steuerung Takt und Ausgang 1:n externer Takt/ Ereignisse Freigabe Ausgang Zählerstandsregister 2

3 Funktionsweisen 2.5. Mikrocontroller-Komponenten Zählen von Ereignissen Externer Takt = zu zählende Ereignisse... Freigabe... Zählerstand Z 3

4 Messen von Zeiten 2.5. Mikrocontroller-Komponenten Interner oder externer Takt, z.b. 1MHz Freigabe = zeitlich zu vermessendes Signal Zählerstand Z-1 Z T Verschnitt Verschnitt T = Zählerstand Taktzykluszeit 4

5 Erzeugen einmaliger Impulse, einmaliges Wecken Interner oder externer Takt, z.b. 1MHz... Freigabe... Zählerstand Z Z Ausgabe (a) Ausgabe (b) Unterbrechung (c) T Wecken T = (Startwert + 1) Taktzykluszeit. 5

6 Erzeugen mehrmaliger Impulse, mehrmaliges Wecken Interner oder externer Takt, z.b. 1MHz Freigabe Zählerstand Z Z Z Z Z Ausgabe (a) Ausgabe (b) Unterbrechung (c) T T 6

7 Enthält ein Mikrocontroller mehr als einen Zähler und Zeitgeber, so spricht man von Zähler- und Zeitgeberkanälen Eine Reihe von Anwendungen erfordern mehr als einen solchen Kanal Beispiel: Quadratur-Decodierung 7

8 Quadratur-Decodierung: Drehrichtungs-Erkennung mit Codierscheibe L2 L1 Drehrichtung rechts: L2 wird immer kurz vor L1 aktiv Drehrichtung links: L1 wird immer kurz vor L2 aktiv L1 L2 Rechtsdrehung Linksdrehung 8

9 Capture- und Compare-Einheit Einfangen und Vergleichen von Zählerständen Datenbus eingefangener Wert Zähler Vergleichswert Zähler-Wert einfangen (externes oder internes Signal) Capture-Register Compare-Register Zähler hat Vergleichswert erreicht (Unterbrechung, externes Signal) 9

10 Einfache Hardware, vielfältige Anwendungen, z.b.: Periodisches Wecken Zähler arbeitet mit Takt konstanter Frequenz F Takt Bei Erreichen des im Compare-Register gespeicherten Wert => Wecksignal Zeitmessung Zähler arbeitet mit Takt konstanter Frequenz F Takt Das zu vermessende Signal fängt den Zählerstand ein Zwei aufeinanderfolgende Zählerstände kennzeichnen die Zeit T Signal = Z n Z n-1 / F Takt 10

11 Frequenzmessung 2.5. Mikrocontroller-Komponenten Das zu vermessende Signal bildet den Zählertakt Zählerstand wird durch einen Takt konstanter Frequenz F Takt eingefangen Zwei aufeinanderfolgende Zählerstände kennzeichnen die Frequenz des Signals F Signal = Z n Z n-1 F Takt Bei viele Anwendungen kann der Zähler mit konstanter Frequenz betrieben werden => weitere Vereinfachung der Hardware durch: freilaufenden Zähler (Free Running Counter) 11

12 Pulsweitenmodulator Erzeugung eines Signals konstanter Periode, aber variablem Tastverhältnis t ges t PWM t PWM 12

13 Realisierung: Datenbus Startwert (Tastverhältnis) f CLK Abwärtszähler Nulldurchgang S R FF Q PWM einstellbarer Frequenzteiler f CLK /2 8 f CLK /2 10 f CLK /2 12 f CLK /2 16 geteilte Frequenz 13

14 Funtionsweise: 2.5. Mikrocontroller-Komponenten z.b. mit f CLK / 2 8 : f CLK... f CLK /2 8 PWM Startwert f CLK 2 8 f CLK 14

15 Anwendungen: 2.5. Mikrocontroller-Komponenten Leistungssteuerung, z.b. für einen Elektromotor P Motor = ((t ges - t PWM ) / t ges ) P max Mit Zusatzbeschaltung Primitiver DA-Wandler (diese Wandlungsrichtung ist in Mikrocontrollern seltener vorhanden) R PWM-Signal C näherungsweise konstantes Ausgangssignal, Spannung Tastverhältnis = R C 15

16 DC-Motor Encoder Mikrocontroller Drehzahlmessung mit Capture-Einheit Beispiel: Drehzahlregelung durch einen Mikrocontroller mit Capture und Compare sowie PWM Drehzahl-Impulse Referenztakt f CLK PWM Zähler Capture-Reg. Drehzahlsteuerung mit PWM-Einheit Startwert Abwärtszähler einstellbarer Frequenzteiler S R FF Q Regelalgorithmen Prozessorkern Speicher (Programm/ Daten) 16

17 Watchdog-Einheit Regelmäßige Lebenszeichen vom Prozessorkern, sonst Reset Adressbus AS MIO RW Adressdecoder Select = Zähler auf Startwert setzen T = Startwert Zykluszeit Referenztakt Rücksetzen Nulldurchgang Watchdog-Zähler Referenztakt vom/zum Prozessorkern Startwert Datenbus 17

18 Echtzeit-Ein-/Ausgabeeinheiten (Real-Time Ports) Problem: wird der Zeitpunkt einer Ein- oder Ausgabe durch die Software gesteuert => Software-Jitter durch Unregelmäßigkeiten im Programmablauf (z.b. Unterbrechungen, Bedingungen,...) Beispiel: Jitter-behaftetes Ausgabesignal D1 D2 D3 D4 D5 D6 18

19 Abhilfe: Steuerung der Ein-/Ausgabe durch einen Zeitgeber => Echtzeit-EA Zeitgeber Datenübernahme durch Zeitgeberimpulse Ausgabedaten Pufferregister vom/zum Prozessorkern Adressdecoder Datenübernahme durch Registerauswahl Ausgaberegister Datenbus Adressbus 19

20 Funktionsweise: 2.5. Mikrocontroller-Komponenten Zeitgeberimpulse a) Ausgaberegister, Ausgabesignal mit Jitter D1 D2 D3 D4 D5 D6 b) Pufferregister, Ausgabesignal ohne Jitter D1 D2 D3 D4 D5 D6 Software-Jitter < halbe Taktperiode => jitter-freies Ausgangssignal 20

21 2.5.4 Speicher Zur Reduktion der Anzahl externer Komponenten enthalten viele Mikrocontroller eine begrenzte Menge Speicher Flüchtiger Schreib-/Lesespeicher zur Speicherung von Daten Nichtflüchtiger Festwertspeicher zur Speicherung von Programmen und Konstanten Kleinere Anwendungen können dann vollständig mit dem integrierten Speicher realisiert werden 21

22 Anbindung an den Adressraum des Prozessorkerns: Adressdecoder Adressbus AS MIO RW Adressdecoder (interprtiert MIO in umgekehrter Weise wie der Adressdekoder für Ein-/Ausgabeeinheiten) Select 1 Select 2 Datenbus Prozessorkern Schreib- /Lesespeicher Festwertspeicher 22

23 Adressraum des Mikrocontrollers Speicher-Adressraum 0 Festwertspeicher Schreib- /Lesespeicher max. Speicheradresse EA (bei gem. Addressierung 23

24 Auswahl der Speicherzellen innerhalb des Speichers Prozessorkern Adressbus 0.. n-1 m.. n-1 AS MIO Adressdecoder (interprtiert MIO in umgekehrter Weise wie der Adressdekoder für Ein-/Ausgabeeinheiten) Select 1 Select 2 2 m Speicherzellen... interner Adressdecoder 0.. m-1 Als lineare Liste sehr leitungsintensiv (2 m Auswahlleitungen) 24

25 Daher besser interne Organisation in Form einer Matrix 2 m/2 Leitungen (Wortleitungen) m-bit Adresse m/2-bit Zeilenadresse Zeilenadress decoder 2 m Speicherzellen quadratische Speichermatrix 2 m/2 Leitungen (Bitleitungen) Select Spaltenadressdecoder, Spaltenauswahl Daten m/2-bit Spaltenadresse Minimale Leitungsanzahl bei quadratischer Matrix 25

26 Festwertspeicher 2.5. Mikrocontroller-Komponenten Maskenprogrammiert (ROM, Read Only Memory) Inhalt einer Speicherzelle wird bereits durch die Herstellungsmaske des Chips festgelegt (z.b. durch Verbinden oder Nichtverbinden eines Kreuzungspunktes der Zeilen- und Spaltenauswahlleitungen durch einen Transistor) => Mikrocontroller in Großserienanwendungen Benutzerprogrammiert (PROM, Programmable Read Only Memory) Benutzer kann den Inhalt einer Speichrzelle einmal ändern, z.b. durch Zerstörung eines Transistors im Kreuzungspunkt => Mikrocontroller in Kleinserienanwendungen 26

27 Festwertspeicher 2.5. Mikrocontroller-Komponenten UV-löschbar (EPROM, Erasable Programmable Read Only Memory) Inhalt einer Speicherzelle kann programmiert und durch UV-Licht wieder gelöscht werden (z.b. durch Verbinden oder Nichtverbinden eines Kreuzungspunktes durch FAMOS-Transistor) => Mikrocontroller in Prototypen- und Kleinserienanwendungen Variante ohne Quarzglasfenster: OTROM (One Time Programmable ROM) Billigeres Gehäuse, speziell für Kleinserien 27

28 Festwertspeicher 2.5. Mikrocontroller-Komponenten Elektrisch löschbar (FlashRAM, EEPROM, Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) Inhalt einer Speicherzelle kann programmiert und elektrisch wieder gelöscht werden (z.b. durch Verbinden oder Nichtverbinden eines Kreuzungspunktes durch FLOTOX- oder ETOX- Transistor) - FlashRAM kann nur blockweise gelöscht werden - EEPROM kann einzelzellenweise gelöscht werden => Mikrocontrolleranwendungen mit der Möglichkeit zum Software-Update, Speichern von Konfigurationsdaten 28

29 Schreiblesespeicher statischer Speicher Inhalt der Speicherzelle wird durch ein Flipflop realisiert (schnelle, aber aufwändige Speicherzelle) dynamischer Speicher Inhalt der Speicherzelle wird durch einen Kondensator realisiert (einfache Speicherzelle, langsamer, periodischer Refresh erforderlich) 29

30 Schreiblesespeicher In Mikrocontrollern wird ausschließlich statischer Speicher integriert. Gründe: kleine Speichergrößen, dynamischer Speicher nicht erforderlich Refresh-Logik entfällt statischer Speicher läßt sich einfacher durch eine Batterie puffern (Quasi-Festwertspeicher) durch Reduktion der Versorgungsspannung läßt sich bei statischen Speichern ein energiesparender Ruhebetrieb realisieren 30

31 2.5.5 Unterbrechungssteuerung Wichtig für Echtzeitanwendungen, schnelle und flexible Reaktion auf Ereignisse 1. Unterbrechung (Interrupt) des aktuellen Programmablaufs 2. Sichern des Zustandes des Prozessorkerns 3. Unterbrechungsbehandlung (Interrupt Service Routine) 4. Wiederherstellen des Zustandes des Prozessorkerns 5. Fortsetzen des unterbrochenen Programmablaufs 31

32 Unterbrechungsanforderung laufendes Programm Unterbrechungsbehandlung Retten des Prozessorkernstatus auf den Keller Wiederherstellen des Prozessorkernstatus vom Keller Ende der Unterbrechungsbehandlung 32

33 Unterschiede zum Unterprogrammaufruf eine Unterbrechung wird von einem Ereignis ausgelöst, ein Unterprogrammaufruf durch das Programm Unterbrechungen treten völlig asynchron auf => meist umfangreicheres Sichern des Prozessorkernstatus erforderlich die Startadresse ist bei Unterprogrammaufrufen im Programm gegeben, bei Unterbrechungen muß sie aus dem Ereignis heraus ermittelt werden Die Unterbrechungssteuerung koordiniert der Ablauf einer Unterbrechung => Bindeglied zwischen Prozessorkern und Ereignis 33

34 Unterbrechungsquellen: Unterbrechung durch interne Komponente (internal HW Interrupt) z.b. ausgelöst durch eine der bereits besprochenen Mikrocontroller-Komponenten (EA-Schnittstellen, Zähler, Zeitgeber,...) Unterbrechung durch externe Komponente (external HW Interrupt) sog. Interrupt-Eingänge des Mikrocontrollers ermöglichen auch externen Komponenten einen Unterbrechungswunsch 34

35 Unterbrechungsquellen: Ausnahmesituation im Prozessorkern (Exception, Trap) Behandlung außergewöhnlicher Fehlersituationen, z.b. ungültiger Befehlscode, Division durch 0, Seitenfehler,... Unterbrechung durch das laufende Programm (SW Interrupt) häufig genutzt, um Betriebssystemfunktionen aufzrufen und auszuführen 35

36 Ermittlung der Startadresse der Unterbrechungsbehandlung: Vektor-Interrupt externer Vektor (z.b.von externer Komponente) Unterbrechungssteuerung im Prozessorkern x 4 + Vektorbasis- Register interner Vektor (z.b. von interner Komponente oder Ausnahmesituation) Vektor- Adresse Arbeitsspeicher Interrupt- Vektortabelle Startadr. Vektor 0 Startadr. Vektor 1 Startadr. Vektor 2... Startadr. Vektor 255 Interrupt-Service- Routine für Vektor 0 z.b. Vektor = 3 ==> 3. Eintrag in Vektortabelle Interrupt-Service- Routine für Vektor n ==> Startadresse der Interrupt-Service-Routine: (Vektor-Basisadresse + 3 x 4) 36

37 Die Zuordnung von Vektor und Komponente kann variabel oder fest sein. Bei einfachen Mikrocontrollern findet man meist eine feste Zuordnung Zur gleichzeitigen Behandlung mehrere Unterbrechungen: Vergabe von Prioritäten Auch hier ist eine variable oder eine feste Zuordnung möglich Zusätzlich: Unterbrechungen können maskiert werden. In diesem Fall werden Anforderungen der zugehörigen Quelle ignoriert 37

38 Beispiel: Interruptvektortabelle mit fester Zuordnung von Quelle, Vektor und Priorität Unterbrechungsquelle Vektor Priorität Typ Parallele Ein-/Ausgabe 1 0 nieder interner Hardware-Interrupt Parallele Ein-/Ausgabe 2 1 Serielle Ein-/Ausgabe 2 Analog/Digitalwandler 1 3 Analog/Digitalwandler 2 4 Analog/Digitalwandler 3 5 Zeitgeber 1 6 Zeitgeber 2 7 Capture & Compare 8 Externer Interrupt-Eingang 1 9 externer Hardware-Interrupt Externer Interrupt-Eingang 2 10 Externer Interrupt-Eingang Break 200 Software-Interrupt... Unbekannter Befehlscode 253 Exception Division durch Reset 255 hoch 38

39 Variable Zuordnung erlaubt eine größere Flexibilität, insbesondere bei einer höheren Anzahl externer Unterbrechungsquellen. Bei fester Zuordnung benötigt jede externe Quelle einen eigenen Unterbrechungseingang oder die Unterbrechungsbehandlung muss durch Abfrage der Komponenten die Quelle herausfinden Bei variabler Zuordnung können sich mehrere Quellen einen Eingang teilen, die Identifikation und die Prioritätenvergabe erfolgt über den Vektor Aber: größerer Hardwareaufwand wird erforderlich (Interrupt- Controller) 39

40 Externe Steuerung mit variablem Vektor und zentraler Prioritätenund Vektorvergabe Externe Komponente 1 externer Datenbus Externe Komponente 2 Interrupt Acknowledge P0 P1 Unterbrechungsanforderungen Pn externe Prioritätensteuerung externer Interrupt Mikrocontroller Externe Komponente n 40

41 Ablauf: Externe Unterbrechungsanforderung höchster Priorität Externer Interrupteingang am Mikrocontroller Interrupt Acknowledge Datenbus Vektor 41

42 1 Dezentrale Prioritäten- und Vektorvergabe (Daisy Chain) IEI Externe Komponente 1 IEO IEI Externe Komponente 2 Mikrocontroller Unterbrechungsanforderungen... 1 externer Interrupt Datenbus IEO... Interrupt Acknowledge IEI Externe Komponente n IEO IEI: Interrupt Enable In IEO: Interrupt Enable Out 42

43 Die Reaktionszeit auf Unterbrechungen ist eine wichtige Größe bei Echtzeitanwendungen. Das Sichern des Prozessorkernstatus kann einige Zeit in Anspruch nehmen (wenn viele Register gesichert werden müssen) Einige Mikrocontroller verfügen daher über mehrfache Registersätze zur Verbesserung dieser Reaktionszeit Der Status des Prozessorkerns muss dann nicht mehr gesichert werden. Es wird einfach auf einen neuen Registersatz gewechselt. => schneller Kontextwechsel 43

44 Mehrfache Registersätze: Registersatz n... Registersatz 3 Registersatz 2 Registersatz 1 Struktur eines Registersatzes Inhalt des Programmzähler Inhalt des Programmstatuswort Daten-/Adressregister 1 Daten-/Adressregister 2... Daten-/Adressregister m 44

45 Prozessorkerne mit mehrfachen Registersätzen: Vorstufe zu mehrfädigen Prozessorkernen Mehrfache Registersätze: jeder Registersatz enthält einen Speicherplatz für PC und PSW PC und PSW sind aber nur einmal vorhanden => mehrere Kontexte können gespeichert werden Mehrfädiger Prozessorkern: mehrfach vorhandene PCs und PSWs meist Befehle mehrerer Kontexte gleichzeitig in der Pipeline => mit mehreren Kontexten kann gearbeitet werden 45

46 laufender Faden Ereignisbehandlung auf mehrfädigen Ereignis 1 Prozessoren durch Interrupt Service Threads Ereignis 2 Faden zur Behandlung von Ereignis 1 Faden zur Behandlung von Ereignis 2 46